Se trata de una técnica que permite conocer las distancias entre todos los átomos de un material, dando lugar a una herramienta única y poderosa para conocer la estructura local de este tipo de materiales
Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) han recogido en la revista Nanoscale los ejemplos más relevantes del uso de la Función de Distribución de Pares, o PDF (Pair Distribution Function) en el campo de los Metal-Organic Frameworks, o MOFs.
Los MOFs son materiales metal-orgánicos ordenados con porosidad permanente que poseen numerosas aplicaciones, entre las que cabe destacar catálisis heterogénea, almacenamiento de gases, o captura y degradación de contaminantes.
A través de modificaciones en su estructura a escala local, es posible incorporar en éstos nuevas funcionalidades que generen nuevas propiedades físico-químicas, y con ello nuevas aplicaciones. Por tanto, el conocimiento de su estructura en detalle resulta vital para mejorar y adaptar este tipo de materiales a las necesidades de la sociedad actual.
Sin embargo, generalmente, durante la preparación de los materiales, es habitual que el orden a largo alcance —conocido como cristalinidad— se pierda. Esto hace que las herramientas clásicas basadas en la difracción de rayos-X ya no sean del todo útiles para conocer la estructura del material.
A) Esquema de un experimento de scattering total, donde se índice un haz de radiación de onda electromagnética energética (como los rayos X) a un material altamente defectuoso y se obtiene el patrón de scattering total. B) La información obtenida de picos de Bragg es prácticamente nula, ya que el material presenta una baja cristalinidad, por la que no podemos obtener información estructural. C) Al aplicar diferentes tratamientos matemáticos a los datos de scattering total, obtenemos la Pair Distribution Function (PDF), que nos da información estructural, en distancias de enlace, directamente en el espacio real. D) Esto mismo lo aplicamos a una muestra real, como lo es un metal-organic framework, o MOF. Donde tenemos contribución de picos de Bragg y también de scattering (arriba). El patrón de PDF en este caso muestra las diferentes distancias de enlace presentes en este tipo de materiales / UAM
Información estructural a escala local
De manera general, los experimentos de PDF permiten analizar al mismo tiempo las señales de dispersión difusa y de Bragg, lo que permite que se conozcan las distancias de enlace que posee todo el material a escala local. Lo que convierte al PDF en prácticamente la única técnica que da información estructural a escala local de este tipo de materiales cuando pierden casi toda su cristalinidad.
Este tipo de experimentos se llevan a cabo en grandes instalaciones que permiten realizar experimentos utilizando radiaciones más energéticas, como son los sincrotrones y las fuentes de radiación de neutrones. Aunque la técnica del PDF no es nueva, su uso en este tipo de materiales está muy poco extendido. Tan solo hay publicados unos pocos trabajos, recogidos en este artículo tipo review, que da mayor visibilidad a esta técnica y a todas las posibilidades que ofrece, siendo el primero en reportar las múltiples posibilidades que ofrece el uso del PDF en este tipo de materiales porosos nanoestructurados.
El conocimiento estructural de estos materiales es completamente determinante para diseñar nuevos materiales que sean competitivos en múltiples aplicaciones. A través de modificaciones a nivel local de este tipo de materiales, los investigadores son capaces de sintetizar materiales que pueden ser empleados en la captura y degradación de diferentes contaminantes en aguas o de agentes nerviosos en el aire.
El equipo ha sido liderado por la investigadora Ana E. Platero-Prats, quien tiene una amplia experiencia y conocimiento en la realización y análisis de la Pair Distribution Function, gracias a sus trabajos desarrollados en el Argonne National Laboratory (EEUU) en colaboración con Karena Chapman.
El equipo continúa trabajando en el desarrollo de este tipo de materiales para su uso en la captura y degradación de contaminantes en agua y su caracterización estructural a través de la técnica de PDF.
Referencia bibliográfica:
Castillo-Blas, C., Moreno, J.M., Romero-Muñiz, I., Platero-Prats, A.E. 2020. Applications of pair distribution function analyses to the emerging field of non-ideal metal–organic framework materials. Nanoscale 12, 15577-15587, https://doi.org/10.1039/D0NR01673J
